人机界面显示屏

2024-09-12

人机界面显示屏（共9篇）

人机界面显示屏篇1

1 引言

在CTCS-3级列车控制系统中,列车控制车载设备人机界面(DMI)是一种重要的车载设备,DMI显示了当前列车运行的相关信息,如当前速度、目标距离等[1],为列车司机操作列车提供参考依据,其显示内容的正确与否直接关系到列车的行车安全。因此,在投入使用之前必须要有功能测试的过程。为了全面测试DMI的显示功能,首先必须记录下一段时间内每一时刻的DMI上的显示数据,然后与标准规范比较,得出测试结果。

为了得到DMI的显示记录,最简单的方法就是人工记录,也就是通过人的视觉来完成。人的视觉范围广,主观性强,可以根据环境的变化灵活分析各种结果,在出现异常显示或者显示信息不明确的情况时能及时发现,或者综合得出一种合适的结果。但这种方法需要占用人力资源,效率低,而且由于大量单调的重复工作不能排除人为失误,从而并不能保证记录结果的准确性。因此,针对DMI显示信息,研究快速、准确的自动识别记录方法是十分必要的。

本文从图像处理的角度来研究自动识别方法,根据DMI显示信息的特点提出了相应的识别算法。

2 DMI功能及需求分析

DMI实时显示列车的状态信息,整个界面分为五个不同的区域,显示不同类别的信息。信息内容包括:制动预警时间;目标距离;列车运行等级;ATP设备制动状态;列车控制模式;列车当前运行速度;ATP模式;列车当前相关的文本信息;当前时间;机车信号信息[2]。根据以上显示信息的内容可得出,对于DMI显示信息的识别,主要包含如下两方面的工作:

静态信息识别:根据各模块图片的特点,确定出信息识别方案,得到DMI显示信息。

动态信息识别:根据DMI视频,实现动态信息识别,分析系统的性能特征。

3 显示信息识别方案设计

一般情况下,研究显示信息识别的过程可以归纳为四个步骤[3],如图1。

根据上述思路,对DMI显示信息的识别过程分为两个部分:预处理部分和模块识别部分。预处理部分主要是从图像中分割出DMI区域,进行处理后,使之成为标准几何尺寸的DMI界面。模块识别部分主要是从标准几何尺寸的DMI界面出发,确定各部分的识别方法,得到识别结果。因此,对DMI显示信息的识别整体方案如图2所示。(注:忽略了图像变形、图像残缺等一些非常规情况。)

4 关键技术分析

4.1 目标分割算法研究

在对DMI进行显示信息识别的不同阶段,都需要对目标进行分割,主要包括:从最原始图像中分割出DMI区域;从标准DMI图片中分割出各待识别的目标模块;从多位数的数字目标中分割出每一位数字[4]。本文采用的分割算法为投影分割法,其中主要的处理过程包括直方图分析、阈值变换、以及投影法分割等[5]。如图3所示。

分割是在预处理之后进行的,采用投影分割法进行目标分割的过程如下:

(1)保留源图像信息。

(2)分析源图像的直方图信息,选取合适的阈值,对源图像进行阈值变换,变换后只剩下0和255两种像素值。

(3)对源图像进行逐行扫面,统计出每一行中像素值为0的像素个数。

(4)根据目标区域特性,各行的统计值与其他区域有明显的区别,设置一个合适的阈值即可得到目标区域的上下边缘坐标。

(5)同理,可得到目标区域的左右边缘坐标。

(6)根据得到的边缘坐标信息从源图像中识别出目标图像。

4.2 目标识别算法

对DMI显示的信息进行分析可知,所有的信息根据内容可分为两类:图标信息和预警时间信息。图标、文本以及数字都归属于图标信息类型,这类信息可采用模板匹配来实现目标识别;采用面积大小来表示的预警时间信息可以根据区域的统计特性获取目标值。

4.2.1 模板匹配

采用模板匹配法时,待识别目标的所有可能情况都以标准图标的形式预先保存在模板库中[6],在通过分割得到待识别目标后,需要将其与模板库中的模板逐一进行匹配,计算相关系数,根据相关系数,确定相似程度,得到匹配结果[7]。相关系数的计算方法如下:

假设M为待识别图像的高度,N为待识别图片的宽度。S(i,j)为待识别图像中(i,j)点的像素值,Tk(i,j)为第k个模板图像中(i,j)点的像素值。则可以用如公式(1)所示的测度来衡量T与S的相似程度[8]:

由于模板是根据投影法分割后得到的,因此不同模板的尺寸有可能是不一样的,这样,分割得到的待识别目标的尺寸就有可能超过模板[9]。出现这种情况时,在进行匹配之前应首先将模板扩充至待识别目标尺寸大小,采用的方法是将原来不存在的像素都赋值为0或者255,这样不会影响到匹配结果。

模板图片文件名是按数字来顺序命名的,通过文件名循环来打开文件,计算相似度,即可完成逐一匹配的过程。本文的模板匹配算法流程图如图4所示。

4.2.2 统计识别

统计识别方法是指根据待测目标的统计属性完成对目标值的确定。在DMI图像中,采用白色正方形区域的面积来表示列控车载设备触发制动之前的预警时间,如图5:

白色正方形高度与相应的预警时间之间的对应关系如表1。

由表(1)可知,通过检测统计方法检测出白色区域的高度即可搜索到对应的目标值。

4.3 视频处理技术

在显示信息处理上,本文结合Open CV中的库函数。通过Open CV库函数完成视频显示及数据保存的功能,将对视频的处理转化为对BMP图片序列的处理。为得到BMP格式的图片数据,对于每一帧数据,在用Open CV相关函数显示后先将数据以BMP格式保存,之后按读取BMP图片的方法读取,然后再进行图片相关内容的识别。处理流程如图6所示。下面是程序涉及到的几个Open CV库函数:

(1)int cv Save Image(const char*filename,const Cv Arr*image);

filename:文件名,如果对应的文件已经存在,则将被复盖。

image:要保存的图像。

函数cv Save Image保存图像到指定文件。图像格式的的选择依赖于filename的扩展名。

(2)Cv Capture*cv Create File Capture(const char*filename);

filename:视频文件名。

函数cv Create File Capture给指定文件中的视频流分配和初始化Cv Capture结构。当分配的结构不再使用的时候,它应该使用cv Release Capture函数释放掉[10]。

(3)Ipl Image*cv Query Frame(Cv Capture*ca pture);

capture:视频获取结构。

函数cv Query Frame从摄像头或者文件中抓取一帧,然后解压并返回这一帧。抓取后,capture被指向下一帧。

(4)void cv Release Capture(Cv Capture**capture);

Capture:视频获取结构指针。

函数cv Release Capture释放由cv Capture From File申请的Cv Capture结构。

5 实验及结果分析

运行一段录制好的DMI显示信息的视频资料,可以看到随着视频的播放,提取出的DMI显示信息不断发生变化,信息识别结果与DMI显示基本吻合。如图7在视频播放接收时,综合计算出视频信息识别的时间性能指标,如图8。由图8可知,在43s时间内总共处理170帧图片,平均每帧图片的处理时间为257ms。这样,在每秒的时间内大致可处理4帧图片,可以满足对DMI显示信息的记录需求。

6 结束语

本文研究了对DMI进行信息识别的方法,将DMI显示信息分为图标信息和预警时间信息两类,分别采用模板匹配和统计识别的方法完成显示信息的识别。在静态图片研究的基础上完成了对DMI动态显示信息的识别。DMI显示信息的自动识别为CTCS3级车载设备功能自动测试中对DMI自动操作的研究奠定了基础。

摘要：本文为实现CTCS-3级列车控制车载设备人机界面(DMI)显示信息的自动识别功能,在完成静态图片处理算法研究之后,提出了一种结合Open CV库函数完成视频显示及数据保存的方案,从而实现了对DMI显示信息的自动识别。并通过实验验证了本方法自动识别的效果,以及对视频信息处理的时间性能指标。实验结果表明,本文所提出的方法能满足对DMI显示信息的自动识别需求,识别出的的信息可作为下一步研究DMI自动操作的参考依据,为实现CTCS-3级车载设备功能的自动测试奠定了基础。

关键词：图像处理,列车控制车载设备人机界面,模板匹配,统计识别

参考文献

[1]张曙光.CTCS-3级列控系统总体技术方案[M].北京:中国铁道出版社,2008:138.

[2]郭媛忠,宗殿贵.CTCS-3级列车运行控制系统原理和应用[M].北京:中国铁道出版社,2014,(5):99.

[3]孙正.数字图像处理与识别[M].北京:机械工业出版社,2014,(10):87.

[4]曹健.图像目标的表示与识别[M].北京:机械工业出版社,2012,(6):95.

[5]张国云.计算机视觉与图像识别[M].北京:科学出版社,2012,(4):168.

[6]张红.高分辨率SAR图像目标识别[M].北京:科学出版社,2009,3(1):95.

[7]郑方,章毓晋.数字信号与图像处理[M].北京:清华大学出版社,2006,(7):95.

[8]王秀珍.图像识别技术浅谈[D].内蒙古:内蒙古电大学刊,2008,(8):73-74.

[9]李宝昭.基于匹配的图像识别算法的应用研究[D].广东:广州工业大学,2007,5.

[10](美)Bradski.G,(美)Kaehler.A编著,于仕琪,刘瑞祯译.学习Open CV(中文版)[M].北京:清华大学出版社,2009,(10):102.

人机界面显示屏篇2

笔者就在前几天遇到了这种问题，根据我使用AutoCAD的经验，一般碰到这个问题都是字体不匹配的原因，下面就请和我一起来分析解决这个问题，

如下图，在CAD的【任务栏】里和弹出的【选项】对话框里显示的都是“?”，这种情况很少见。

回忆昨天，使用正常，在昨天到发现出现这种问题之间，由于计算机中了病毒，就重新ghost了一个以前的操作系统。之后就是装了一些常用的软件，没有什么大的比较错误的操作呀。因为我已经多次这样做过，应该问题不会出在这里。难道是有病毒，一想到病毒就有点不爽，可是我已经重新恢复了系统而且又杀了毒的，应该不会有吧。

难道是AutoCAD环境变量在作怪?会不会是我配置AutoCAD环境变量的时候，不小心触动了什么变量(因为我在重装了AutoCAD之后，都要重新配置一下)，可是我已经操作有四年了，应该不会出现这种问题，但是我还是不放心，就把AutoCAD里的配置文件重新加载了一边，问题还是没有解决，

排除了上述两个原因之后，我开始猜测是不是系统里的设置出了问题，难道是输入法的原因。为了不放过一点蛛丝马迹，打开【控制面板】，双击【区域选项】弹出【区域选项】窗口，切换到【常规】选项卡，果然在【你的区域设置(位置)】中显示的是“英语(美国)”，将其改为“中文(中国)”，单击【确定】按钮，再次打开AutoCAD，问题解决了。让笔者虚惊了一场。

原来，我为了想查看一下各时区的时间，在【区域】选项中的【常规】选项卡里，将【你的区域设置(位置)】改成了“英语(美国)”，导致了AutoCAD 的界面出现了“?”。

★ 浩辰CAD教程之界面切换幻化

★ CAD高版本中布局(layout)的使用

★ 城市生态学基本概念与研究进展浅析

★ 求职信的格式布局

★ 时间参数的基本概念

★ 搜狗输入法输入法界面解析

★ 设计界面说――探讨设计艺术

★ 浅谈html5 响应式布局

★ 4、优先股融资的基本概念

人机界面显示屏篇3

轿车仪表系统为驾驶员指示车辆在各种状态下各部件的运行状况, 从而使汽车可靠、安全地行驶。它兼有技术和艺术的功能, 反映出车辆设计风格和制作工艺上的特点, 是整车的代表作和亮点之一。轿车仪表是人与轿车之间进行信息传递和交换的人机交互界面。

当代的轿车追求“人车合一”, 设计中要体现以人为本的设计思想。汽车设计师们逐渐将更多的精力投入到了新车型内饰方面的考虑上, 尤其是汽车仪表系统的改造和完善。在这一过程中探索了在轿车仪表设计中实现人性化设计的基本思路。

1 轿车仪表显示信息人机交互

人机交互主要包括7个方面的内容:“人的特性研究、机器的特性研究、环境的特性研究、人-机关系的研究、人-环境关系的研究、机-环境关系的研究、人-机-环境系统总体性能的研究。”[2]轿车仪表板是驾驶员与车辆间信息、作业交互的人机界面, 它集中了全车的仪表, 显示车辆的工作状况。随着现代电子技术的进步和汽车性能的发展, 相应的多功能、高精度、读数直观的汽车仪表随之出现, 电子数字显示及图像显示的仪表得到了进一步推广。

不同轿车的仪表不尽相同, 但一般轿车的常规仪表为:车速里程表、发动机转速表、燃油表、机油压力表、水温表、充电表等, 这就是通常所说的“六大表”。在这六大表中, 燃油表、机油压力表和水温表都直接与发动机的工作有关。其中燃油表和水温表也可以用指示灯来代替, 用以提示燃油不足以及水温偏高或偏低。现在很多车型的电器设备日趋完善, 车上都装有计时器件, 以石英钟占多数, 包括指针式和数字式两种。有的车型还配备了油耗表, 用来指示汽车行驶中燃油的消耗情况。油耗表所反映的是一个瞬时的、动态的燃油消耗量, 以此来控制汽车行驶中发动机与汽车行驶工况的匹配关系, 从而反映行车的经济性。

在轿车仪表板上通常同时装有多达几十种信号指示灯, 其中最常用的有ABS指示灯、EPC指示灯、O/D档指示灯等。

轿车仪表中绝大多数的信息是通过图形符号的形式来表现和传递的。按照符号学的观点, 符号都必须具有符号的内容和语义学的规则, 也就是说, 它必须是能指与所指紧密结合的双面体, 要想顺利传递信息, 二者缺一不可。符号的代表形式就是人们日常所使用的语言, 它所构成的是一个高度概括、抽象的虚拟世界。符号作为一种媒介, 想要传达抽象的内容, 不但要表现为能被对方所感知的某种形式, 还必须包含能被对方理解的抽象内容。

仪表显示符号要实现信息的传达, 在符号体系完善以及传送通道通畅的前提下, 顺利传递的关键就在于在仪表信息显示系统设计者与驾驶者之间约定两者共知共识的符号表示规则。仪表信息符号的形式特征主要通过形状、色彩、材质等要素来表现, 有二维和三维两种空间存在方式, 并且依靠视觉来感知。轿车仪表显示中的文字绝大部分为英文和阿拉伯数字, 人眼对这些信息的识别特性与对图形符号的识别有很大的相似之处。而轿车仪表与驾驶者在色彩方面的交互主要体现在常用仪表指示灯的配色上。

2 轿车仪表显示信息交互设计

轿车仪表板是各种仪表、信号灯的集合处, 更是操纵控制与显示的集中部位, 而且在整车造型方面极其重要, 所以必须在设计阶段权衡利弊, 精心布局。首先应符合人机工程学原理, 安全舒适;其次应充分考虑到驾驶者的各种使用习惯;最后还需造型美观, 特色鲜明, 但要与整车的造型风格协调一致。车辆仪表设计得好, 会使驾驶员感到得心应手, 反之, 甚至会影响到其生命安全。纵观各类汽车的仪表板, 尽管因车型、功能不同而风格迥异, 但都有一个共同的特点, 即“除了具有必备的功能性外还具有实用性和人机关系的协调性”[3]。

轿车仪表的设计应以“人性化”为最主要的指导原则。轿车目前在国内市场上还属于消费品而非生活必需品, 因此其设计不仅要偏重于生理学的层面, 而且必须兼顾消费者心理层面的需求, 在设计上要尽可能符合产品审美要求与潮流的发展。任何产品的人性化设计都应该是功能主义的, 必须在保障产品的主要功能不受影响的前提下改进其外形、结构设计以符合人机工程的一般要求。轿车仪表信息的传递要以信息交互的基本原则来指导交互设计。

对使用者生理与心理的研究是设计“以人为本”的具体化。这种设计思想最早把心理学引入到计算机人机界面的设计评价中来。轿车仪表的最终使用者是驾驶者, 要使仪表适应驾驶者, 而不是让驾驶者去适应仪表。应该以驾驶者的生理、心理特性为核心, 以当前计算机显示技术以及各相关行业标准为辅助, 使仪表信息显示设计具备用户特性、任务特性、系统特性、界面设计特性。随着计算机和电子技术的发展及广泛应用, 信息显示领域的人机交互将会以多种方式来实现, 用户界面将会从之前使用较多的“认知型”逐步转向更为高效和人性化的“直觉型”。

3 总结

综上所述, 提出仪表信息交互界面设计的6点原则:1) 信息显示符号由具体到抽象;2) 由可见的内容显示不可见的内容;3) 激发驾驶者的交互兴趣以及学习和交流的欲望;4) 减少驾驶者的短期记忆负担;5) 交互过程中使用用户语言;6) 适当考虑特殊驾驶者的个别差异。

参考文献

[1]孙庆华.针对视障用户的网络信息无障碍研究[D].北京:首都师范大学, 2008.

[2]刘伟, 袁修干.人机交互设计与评价[M].北京:科学出版社, 2008.

[3]吴琼.工业设计技巧与禁忌[M].北京:机械工业出版社, 2009.

[4]谭浩, 赵江洪, 王巍.汽车人机交互界面设计研究[J].汽车工程学报, 2012.

人机界面显示屏篇4

用VB5.0 设计能适应各种显示属性下的界面

---- 在设计一般应用软件时，总希望设计的软件, 无论显示器分辨率设置是640X480, 800X600 还是1024X768, 无论显示器设置是在大字体还是小字体软件都能正常运行，并且有美观一致的界面，本人在用VB5.0 设计《英语集成训练系统V2.0》时，亦遇到这样的麻烦。下面解释克服这一问题的方法。

---- 一：使界面居中

---- 为了使界面元素能在各种显示分辨率下均有合理的布局，一种方法就是获取当前显示分辨率，然后根据这一分辨率计算界面各元素的位置和大小，并进行设置。这种方法虽然能解决界面元素布局问题，但需要知道每个元素的位置和大小，程序烦琐。

---- 我这里采用的方法是：首先设计一个具有极大化, 无边界，无标题，无控制盒的窗体，然后在其上放置一个容器控件Picture，在Picture 中再放置其它控件。在窗体Load 事件中根据当前的显示分辨率居中Picture，从而实现了居中整个界面。具体代码如下：

Private Sub Form_Load

Call CenterControl(Picture1)

End Sub

Public Sub CenterControl(obj As Object)

Dim cx, cy As Single

cx =(Screen.Width/Screen.

TwipsPerPixelX-obj.Width)/2#

cy =(Screen.Height/Screen.

TwipsPerPixelY-obj.Height)/2#

obj.Left = cx

obj.Top = cy

End Sub

---- 二：使界面适应大字体与小字体

---- Win95 在创建控件时，会根据当前显示属性为大字体或小字体来作相应调整。尽管应用程序传送的参数（控件位置和尺寸）是一致的，但实际控件的位置和尺寸在这两种情形下并不一样。如果应用程序仅仅考虑一般小字体的情况，在大字体下界面则十分难看混乱，甚至无法操作。为解决这一问题，首先应了解当前显示器设置，这可通过系统注册表来获取。下面的程序采用了另一种方法：首先在一个映射模式为Pixel 的窗体中放置一个控件，在显示属性为小字体的设计环境下首先看一下控件的初始位置x,y，然后在窗体的Load 事件中计算出X 和Y 方向的放大比例xFac,yFac:

Private Sub Form_Load()

xFac = 400# / mmlhwnd.Left

yFac = 400# / mmlhwnd.Top

End Sub

---- 其中，mmllhwnd 为放置在窗体中的控件，初始的坐标为400,400，

---- 最后在各个需要调整界面的窗体Load 事件中调用下列子程序，调整各控件的位置与大小：

Public Sub CorrectForm(fm As Form)

Dim C As Control

For Each C In fm.Controls

If TypeOf C Is Timer Then

ElseIf TypeOf C Is CommonDialog Then

ElseIf TypeOf C Is Line Then

C.X1 = C.X1 * xFac

C.Y1 = C.Y1 * yFac

C.X2 = C.X2 * xFac

C.Y2 = C.Y2 * yFac

Else

C.Left = C.Left * xFac

C.Top = C.Top * yFac

If TypeOf C Is SSCommand Then

C.Width = C.Width * xFac

C.Height = C.Height * yFac

C.FontSize = C.FontSize * xFac

ElseIf TypeOf C Is CommandButton Then

C.Width = C.Width * xFac

C.Height = C.Height * yFac

C.FontSize = C.FontSize * xFac

ElseIf TypeOf C Is ListBox Then

C.Width = C.Width * xFac

C.Height = C.Height * yFac

C.FontSize = C.FontSize * xFac

ElseIf TypeOf C Is ComboBox Then

C.Width = C.Width * xFac

C.FontSize = C.FontSize * xFac

End If

Next C

End Sub

---- 上述程序中仅列举了几个典型的控件，如果窗体中还有其它类型的控件，仿造上述程序加入对这些控件类型的处理即可。

人机界面显示屏篇5

但是,频繁地做切换操作,对于一个处于正常煅烧状态的系统而言,既不必要,也很辛苦。例如,我公司的回转窑与预热器共处于图1所示的烧成窑尾操作界面,而窑尾电收尘处于另一个废气处理界面上。正常情况下,操作员主要是观察与控制主操界面,也就是烧成窑尾界面,但为了能及时观察因废气温度超高等因素引发收尘器电场跳停故障,继而造成环境污染,还需不时地切换到废气处理系统界面上。客观上造成操作员思想疲劳、劳动强度增大,从而导致效率低下。为此,我公司对上述问题作了以下调整,即:将窑尾电收尘的电场工作信号引至烧成窑尾主操界面上显示(注:只是显示,但不能实际操作控制,主要是从安全角度考虑),调整后的图标显示见图1中窑头喂煤量“转子转速”字体左侧的三个方框,另外引入的几个重要参数在这里不再赘述。再如,用这种方法还可以将与磨机相关的物料运输皮带显示在同一磨操主界面上,以利于随时监控各条皮带跳停情况。而对此项工作优势最大的发挥,是我公司将所有界面的显示制作拷贝,通过网络上传于各个生产职能部门,使之能及时对生产进行监督并提出指导性意见和建议。

对于图形与符号集于一个界面上进行同步显示,以上述问题为例,其处理方法如下:

人机界面显示屏篇6

随着社会的发展和人民生活水平的提高,拖拉机的设计越来越受到人们的重视,驾驶员的健康工作环境也受到人们的关注。驾驶室是为驾驶员安全和舒适的工作而设计的工作环境,它内部的显示装置是关乎驾驶员准确、安全操作机器的重要构件,应从人机工程学出发,对其进行人性化设计。人机工程学研究的核心是作业中人、机器及环境三者间的协调,这就要求拖拉机显示装置的设计要综合考虑驾驶员、车辆以及外部环境的各种因素,为驾驶员构建一个安全、健康、舒适和高效的作业环境。仪表板是拖拉机的主要显示装置,本文从仪表板功能分析与方案选择入手,对仪表、信号灯、仪表板的布置方面进行人机工程学设计与人性化探讨。

1 人机工程学与显示装置设计

人机工程学是一门运用生理学、心理学和其他学科的有关知识,使机器与人相适应,创造舒适而安全的工作条件,从而提高工效的学科[1]。显示装置设计与人机工程学是密不可分的,显示装置是在产品中,专门用来向人表达机器和设备的性能参数、运转状态、工作指令以及其他信息的装置。在人机系统中,按人接受信息的感觉通道不同,可将显示装置分为视觉显示装置、听觉显示装置和触觉显示装置,其中以视觉显示装置最为重要[2]。仪表板作为视觉显示装置部分,它的人机化设计可以准确合理地传递机器或设备的工作信息,决定驾驶员对信息的处理速度与质量。所以现代拖拉机设计中驾驶室仪表板的人机工程学设计是十分重要的。我国国产拖拉机设计虽然取得一定的成绩,但是驾驶室仪表板仍然存在样式老化、千篇一律、缺少创新,人机性不好等问题。虽然仪表的选配是标准件,但是符合人机的个性化的设计可以满足人们不断增长的高层次精神需求,仪表板设计将更加多元化,人性化。

2 拖拉机视觉显示装置的人机工程学设计

2.1 仪表板功能分析与方案选择

驾驶员是靠仪表的指示来随时掌握车各部分机件的工作状态,特别是在偏僻野外或山区行驶的拖拉机,准确无误的仪表指示是不可缺少的。拖拉机仪表板包括速度表、累计里程表、油量表、电瓶表、油压表、水温表等。驾驶员通过它们的显示来判断车辆运行状况。信号灯也是仪表板上重要的显示装置,它起到警示和提醒的作用[3]。仪表板的设计首先要从系统化理念出发整理仪表板的实用功能以及其系统结构,运用功能论的设计方法对仪表板的功能进行了抽象和分析,这样可以找到实现系统功能的最好的途径与方法,得出最优的设计方案[4]。仪表板的功能可分为显示功能和控制功能,图1分析了仪表板的显示功能,并列举出实现每个功能的方案。

通过功能分析,根据所显示参数的性质的不同,六个仪表可选用不同的显示方式,其中速度表、油压表、水温表是比较重要的仪表,驾驶员要随时准确的读取它们的数值,并掌握它们在整个工作状态中所处的位置,因此选用定量显示方式,可用仪表盘进行模拟显示。累计里程表记录车所行驶的总里程数,需用数码直接显示有关参数值,即选用定性显示的数字式显示装置。油量表和电瓶表需显示系统所处的工作状态范围,通常显示正常、警戒、危险三种状况,因此选用屏幕警戒显示方式,用颜色做为警戒显示的标识[5]。

2.2 仪表设计

1)仪表的形状与大小。仪表刻度盘形状主要有开窗式、圆形式、半圆形式、水平直线式和垂直直线式等,它们的认读效果各不相同,选择时要符合人的视觉特征,并适合显示方式的要求。开窗式优于其他形式,它的视线集中,动眼扫描路线短,认读范围小误读率低。圆形和半圆形仪表优于直线式,因为它们给予人眼二维空间的刺激,动眼扫描路线比直线短,且符合人们观察仪表的习惯。水平直线式优于垂直直线式,由于人眼的运动规律为水平运动比垂直运动速度快且准确。仪表刻度盘的大小对仪表认读速度和精度有很大影响,仪表盘直径过小时,刻度标记、数码等细小密集难于辨认,相反过大的刻度盘,使人眼的视力中心分散,扫描路线变长而不易认读。刻度盘的直径不仅要考虑刻度数量,还取决于观察者的视角和观察距离,按式(1)计算即可得到刻度盘的尺寸。

式中,D为刻度盘直径;L为视距;A为视角。实验表明,仪表的最佳观察视角为2.5°~5°,最佳视距为710mm[6]。

2)刻度与刻度线。刻度盘上刻度线间的距离称为刻度,它是人与机器进行信息交换的重要途径。刻度大小要适宜,过小过大都不利于认读。刻度的大小可根据人眼的最小分辨能力来确定。人眼直接读数时,刻度的最小尺寸不应小于0.6mm~1mm,一般宜在1mm~2.5mm间选取,必要时也可取为4mm~8mm。刻度的最小值还受所用材料的限制,钢和铝的最小刻度为1mm,黄铜、锌和白铜的最小刻度为0.5mm。刻度线一般分长、中、短三级,每一个刻度线代表一定的测量数值。在足够的照明条件下,刻度线的长度与观察距离L成正比,例如L取0.5m~0.9m时,长刻度线长度为10mm,中刻度线长度为7.1mm,短刻度线长度为4.3mm。刻度线宽度一般为刻度大小的5%或15%,以10%左右为最优[7]。

3)刻度标注与指针设计。仪表的刻度需标上相应的字符供人认读,刻度盘上刻度值的递增顺序称为刻读方向,一般是从左到右、自上而下或顺时针方向。仪表刻度标注一般为数字、汉字、拉丁字母及各种专用符号。字符形状的要求简单醒目,宜多采用直线和尖角,加强各字体本身特有的笔划,突出字形的特征,使观察者能准确迅速地认读[8]。刻度标注的大小与视距有关,同时受到环境光线的影响。指针形状的设计要求简单明确,没有装饰,以尾部平、头部尖、中间等宽或狭长三角形的形状为好。指针针尖宽度应与最短刻度线等宽,针尖宽度过小使指针在刻度线范围内的移动时不易看清。针尖宽度过大使指针在两刻度线之间时,估读精度降低。指针长度要合适,针尖不要覆盖刻度线,一般离开刻度线1.6mm左右[9]。

4)仪表色彩设计。仪表的色彩设计主要指刻度盘面、刻度线、刻度标注以及指针的颜色配置,它对仪表的认读有很大的影响,是仪表人机化设计的重要方面,仪表的色彩设计要综合考虑色彩配置知识与环境因素的影响。在实际使用中,黑与白的明度对比最高,符合人们的视觉习惯,因此,仪表盘面常用黑色,主要指针为白色或黄色等,次要指针用其他对比颜色,而刻度线、刻度标注和主要指针同色。在光线较差的条件下,应采用白色盘面黑色刻度线或配以灯光,加强认读效果[2]。

2.3 信号灯设计

信号灯产生光信号,是重要的视觉显示装置。信号灯的设计必须适合于它的使用目的和使用条件,保证信息传递的速度和质量。一般情况下,信号灯只是用来指示一种状态或要求,如车辆转向信号灯用来指示转弯方向。某些情况下,信号灯也可用来传递信息,如用灯光信号进行通信联络。仪表板信号灯通常用颜色来表现功能,作为警戒、禁止、停顿或指示不安全情况的信号灯应使用红色,如刹车灯。提醒注意的信号灯宜使用黄色,如工作灯。表示正常运行的信号灯应使用绿色,如转向灯。其它信号灯则用白色或别的颜色。在仪表板上,信号灯必须清晰醒目并保证一定的视距,避免信号灯太多,形成杂乱和干扰。信号灯的亮度要能吸引操作者的注意,其亮度至少是背景亮度的两倍,而背景最好灰暗无光,清晰的同时不能太亮而造成眩目,或影响驾驶员在夜间观察车外情况[10]。

2.4 仪表板的布置

仪表板的科学合理布置对驾驶员快速准确认读数据有很大影响,拖拉机仪表板布置要遵循人的视觉运动规律。板面上的仪表排列顺序最好与它们的认读顺序相一致,仪表的排列顺序还应当考虑到它们彼此间的逻辑关系,相互联系多的仪表应当靠近布置。当仪表很多时,应按照它们的功能分区排列,各区之间可用明显的分界线或图案背景色加以区分。重要的仪表区,在仪表板上要有引人注目的背景,有助于认读。信号灯系统应同其它显示装置形成一个整体,避免相互重复和干扰,强信号灯须离开照明较弱的仪表远一些,如果必须相互靠近,信号灯就不能太强,以免引起误读。信号灯过多会冲淡操作者对重要信号的警觉,在此情况下,应设法采用别的显示方式来替代次要的信号灯。所有信号灯都要求安排在操作者不用转动头部和转身就能看见的视野范围内。仪表板上的显示装置包括仪表、信号灯等要布置在人眼良好的视野范围内,重要显示装置布置在视野中心3°范围内,这是人的最优视区,一般性显示装置允许安排在20°~40°视野范围内,次要显示装置允许放置在40°~60°视野范围内[11]。

3 拖拉显示装置的人性化设计发展

拖拉机是一种在野外作业的重型机械,严寒酷暑、雨雪风沙等环境因素,噪音、振动、眩光等干扰因素都严重地影响驾驶员的正常工作,而且操作和显示装置相对复杂,长时间作业使驾驶员极易产生紧张和疲劳。在“以人为本”的现代社会里,拖拉机驾驶员的工作环境和身心健康受到了极大的关注和重视,所以,拖拉机显示装置的设计不仅要求造型美观、结实耐用,还要求尺寸科学、布局合理,符合人机,使驾驶员在驾驶过程中得到生理和心理上的舒适感,减轻这项枯燥工作带来的疲劳感。

人性化设计是以人为设计中心,对工业机械或产品从使用、操作、安全、可靠、环境、心理感受等方面进行整体的考虑和构思,并对人的生理、心理因素作出科学的定性与定量分析和研究,从而提出人与产品、机器协调设计的理论依据。人性化设计是以人机工程学的发展为前提和基础的。人机工程学是一门多学科的交叉学科,研究的核心问题是不同的作业中人、机器及环境三者间的协调[12]。所以,拖拉机显示装置的研究方法和评价手段涉及心理学、生理学、医学、人体测量学、美学和工程技术的多个领域,通过各学科知识的系统化应用来指导驾驶员工作环境的设计和改造,使得作业在效率、安全、健康、舒适等几个方面的特性得以提高,从而满足人的生理和心理双重需求。

4 结束语

人机界面显示屏篇7

随着数字图像技术发展的日渐成熟, 人们对图像的处理以及显示效果也要求越来越高。同时, 对于如何以更方便简捷的方式对图像系统进行调试也成为一个必要的发展趋势。本文研究的是基于VC++的图像数据采集与显示处理的研究。采用在线式网络接口进行数据传输, 利用C++语言灵活性与MFC中封装类的结合, 来构成设计的基础平台。在此基础上进行图像数据采集与数据处理的加工, 最后形成可调试参数的界面化显示输出。

1 硬件组成与软件设计思想

1.1 硬件组成

在本次研究中, 对程序研发过程中的系统设计, 硬件部分采用CCD可见光摄像机进行图像采集, 以TCP/IP网络协议进行网络传输, 送入计算机控制中心。

1.2 软件设计框架

本文提出的一种通用的设计流程。主要是针对图像处理而开发的, 无论是动态图像数据处理还是静态图像数据处理, 都需要经过一个入口来接收它, 才可以进行处理与显示。由于图像数据处理过程中, 关键的是与原始图像进行对比, 所以不经过处理直接进行界面化显示, 以得到与原始图像对比效果。这样就会出现一个通道口两种显示处理方式。

2 数字图像数据采集模块设计

2.1 MFC简介

MFC库是开发Windows应用程序的C++接口。它提供了面向对象的框架, 程序开发人员可以基于这一框架开发Windows应用程序[1]。它同时还提供了基于图形封装类, 如CDC、Cpen等及用它的通用类[2]。最后, 则通过VC++函数库实现了应用程序顺序逻辑性。

2.2 数字图像数据采集模块设计

这部分设计是数据的接收口, 也是关键的第一步。建立好MFC项Dialog base模式后, 定义好“采集”功能按键后, 进行代码输入。

对于图像处理技术来说, 往往先是对静态图像进行调试验证, 那么想对动态图像进行数据保存, 就需要生成数据文件。相关代码如下:int len=153600;//定义生成二进制数据个数范围

这段程序代码是动态图像中所需的图像数据文件成生一个二进制数据文件进行保存。

2.3 分析说明

以上程序分别说明在图像处理软件编程中动态图像获取与静态图像获取的区别;以同一种方式从摄像机获取资源, 根据不同目的运用结构体定义。在第一段动态图像显示程序中, 它的结构体定义在动态链接库的头文件中。而在第二段静态图像保存中, 则很简单的应用了C++语言的类和对像的应用。这也给界面的完整性与美观性带来了很好的视觉效果。这样便形成了一个很好的抓图功能。

3 数字图像处理模块设计

对于一个图像处理软件的编译, 在这部分无论采用何种方法对数据进行采集, 都要从接收口的原始数据进行算法实验。

3.1 数据处理编程序方法分析

大多数图像处理都是基于与设备无关位图 (DIB) 来进行讨论的, 在其中封装必需要有有效的DIB数据成员和处理函数[3]。其实这样做会给编程人员带了很多麻烦。如果利用好MFC中的CDC类, 再通过指针对函数进传递。这样会减少一部分工作量。

从上面静态图像数据文件中获取数据进行算法插入的编译方法, 通过对8位数据运算编译进行演示。相关代码如下;

以上是对8位的图像数据进行输出显示的程序代码, 通过CDC类进行绘图的成员变量与成员函数的定义。由于没有对其进行算法的加入, 通过Set DIBits To Device进行8位数据处理的位图设置, 以达到的8位显示数据通过MFC封装类定义中的函数与句柄进行处理后直接反馈到屏幕上。

3.2 灰度算法插入方法

无论是8位、还是16位或是更高位的数据源, 对于算法的添加都应该是在原始数据接口处, 这样以保证数据显示的有效性。对于一个线性的灰度公式y=a×x+b[4]的算法添加, 我们利用上面的8位显示效果进行加入与编译。

当程序运行到m_p8Data Buf= (LPBYTE) lp Temp时, 视为原始数据未经过处理而直接显示输出。下进行对加入想要的相关算法, 就需要将原来的m_p8Data Buf= (LPBYTE) lp Temp;进行另一种线性算法运算, 其方法如下:m_p8Data Buf= (LPBYTE) ( (double) a*lp Temp+b) ;此时m_p8Data Buf= (LPBYTE) lp Temp语句已经改成了m_p8Data Buf= (LPBYTE) ( (double) a*lp Temp+b) 也就说明, 每个像素的灰度值进行了运算, 那么所生成了新的显示效果同样会通过下面的执行语句进行显示输出。

3.3界面化显示实现

在以上的数据采集与数据处理程序进行编译后, 最后可以实现界面化显示。在这个环节中对m_p8Data Buf直接执行输出显示的可视为动态进实图像, 而对静态处理图像则需要一个处理后的反馈输出显示。如图1, 8位灰度图像界面化显示界面平台。

4结论

本文是基于VC++提供的MFC类的应用, 在此基础上进行程序研究, 实现了以网络协义的传输方式进行图像采集与处理的编程分析, 充分应用了VC++的灵活性, 提出了简单有效的方法。使以最简单的方法, 加快了数据处理的运算速度, 最终形成使用便捷的界面化模式的显示输出。并且在图像处理的各种实验平台的设计与应用起到非常有应用价值现实意义。

摘要：基于VC++软件平台, 应用C++语言编程, 针对图像处理实际应用与图像数据采集与数据处理算法加入等功能平台而设计, 并且最终实现界面化显效果。

关键词：图像处理,数据算法,C++

参考文献

[1]孙鑫, 余安萍.VC++深入详解[M].北京:电子工业出版社, 2008, 4.

[2]任哲.MFC Windows应用程序设计[M].北京:清华大学出版社, 2004, 7.

[3]谭林秋.基于VC++的数字图像处理系统的开发及算法研究[D].硕士学位.西安:西安理工大学, 2008, 3.

人机界面显示屏篇8

仪表是信息显示器中应用极为普遍的一种视觉显示器,按其认读特征分为两大类:数字显示器和模拟显示器[1]。在科技高速发展的今天,仪表技术得到了全面的发展。这就给工程技术人员在选择仪表上添加了难题[2]。因此,科学地评价仪表的人机性能,有助于在人机界面设计过程中进行仪表类型的选择和使用,有助于反馈评价信息促进仪表显示器的设计和开发。传统方法采用的是多指标分析法和模糊分析法[3],以上方法评价都存在较大的片面性和人为因素[4]。灰色关联层次分析模型[4,5,6],将层次分析法与灰色关联模型相结合,在仪表显示器人机评价过程中,能够很好地解决多因素、多层次评价的问题。

1 相关理论

1.1 层次分析法

美国运筹学家A.L.Saaty于20世纪70年代提出的层次分析法(Analytic Hierarchy Process简称AHP)是将决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次,在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。通过明确问题,建立层次分析结构模型,构造判断矩阵,层次单排序和层次总排序五个步骤计算各层次构成要素对于总目标的组合权重,从而得出不同可行方案的综合评价值,为选择最优方案提供依据[7]。

1.2 灰色关联理论

邓聚龙教授在1982年提出的灰色理论是系统思想的一种深化和发展。该理论是一门研究信息部分清楚、部分不清楚并带有不确定性现象的应用数学学科[5]。灰色关联(Gray Correlation),简称灰关联,是指事物之间不确定的关联,或系统因子之间,因子对主行为之间不确定的关联[8]。灰色关联的计算过程即是通过分析和确定因子和目标曲线的几何形状的关联,描述因子间影响程度或因子对主行为的贡献测度的过程。这一理论克服了回归分析和模糊理论存在的不足[8],并在机械工程、社会经济等领得到了较为广泛的应用。

2 灰色关联层次分析模型

仪表显示器人机评价系统是一种多层次的灰色系统,可采用灰色关联层次分析模型对其进行评价研究。这种将层次分析评价体系与灰色关联模型相结合的方法,能够解决较为复杂的多层次、多因素的评价问题。灰色关联层次分析模型通过计算因素与目标曲线的几何形状的关联,描述因素之间关系的强弱和顺序,最终通过因素的层次递推得到评价方案的综合评价结果。

灰色关联层次分析模型的评价步骤如下。

2.1 数据初值化

灰色关联模型要求序列的数据之间保持“等权”、“等测度”、“等极性”,因此,必须对原始数据数列进行规范化处理。等权处理就是通过计算使序列的数据在大小上比较相近。如果两个序列间的数据在大小上相差太大,则小数值序列的作用将会被大数值序列掩盖[5]。

影响仪表显示器的人机评价层次指标体系为效益型指标体系,即所有评价指标为“越大越好”。仪表显示器的人机评价指标数据初值化计算方法为:

设参评方案的个数为m,影响因数的数量为,矩阵A=(aij)n×m表示评价指标的初始矩阵,其中aij指向第i个人机评价指标的第j个因素。极差变换法等权处理公式为:

$X_{i j} = \frac{a_{i j} - \min_{1 \leq i \leq n} {a_{i j}}}{\max_{1 \leq i \leq n} {a_{i j}) - \min_{1 \leq i \leq n} {a_{i j}}} (1)$

式(1)中i=1,2,…n;j=1,2,…,m。规范化后的矩阵记为X。

2.2 关联系数计算

经过极差变换法等权处理,规范化矩阵X=(xij)n×m中每个元素xij∈[0,1],且愈大愈好。现取各参评方案中同一指标的最大值作为理想方案,则理想方案向量可表示为x0=(x01,x02,…,xom)。其中xoj=max{xij|i=1,2…,n},各方案指标向量xi=(xi1,xi2,…,xim)作为待考察的集合。

第i个方案的第j个评判指标与理想方案的关联系数ξij为

$ξ_{i j} = \frac{\min_{i} \min_{j} | x_{i j} - x_{o j} | + ρ \max_{i} \max_{j} | x_{i j} - x_{o j} |}{| x_{i j} - x_{0 j} | + ρ \max_{i} \max_{j} | x_{i j} - x_{0 j} |}$ (2)

这种形式的相对差值称为xi对x0在j点的关联系数,其中ρ为分辨率,ρ∈(0,1),一般取0.5。

由此得到关联系数矩阵:E=(ξij)n×m。

2.3 指标权重确定

仪表显示器的人机评价指标权重一般通过人机工程方面的专家通过打分的方式获得,鉴于评价指标因素间边界较为清晰,干涉性小,可采用熵值法[9]确定各因素的权重。

对规范化矩阵X=(xij)n×m,令 $p_{i j} = x_{i j} / \sum_{i = 1}^{m} x_{i j}$ ,指标输出的信息熵为 $E_{Ι} = - (\ln m)^{- 1} \sum_{j = 1}^{m} (p_{i j} \ln p_{i j})$ ,当pij=0 时,规定pijlnpij=0,则

$ω_{i} = (1 - E) / \sum_{k = 1}^{n} (1 - E_{k}) (4)$

即为指标i的权重。

2.4 灰关联度计算

仪表显示器的人机评价灰色关联度模型为

$R = ω_{i} E^{Τ} = {r_{i} | r_{i} \sum_{j = 1}^{k} ω_{i} ξ_{i j}, i = 1, 2, \dots, n} (5)$

在多层次分析中,首先求解基层关联度,然后作为上一层的初始评价指标,再重复以上步骤计算上一层的关联度,直至得出最上层的关联度[10]。最终递推的结果即是方案优劣的评价结果。

3 仪表显示器人机评价指标体系

对仪表显示器进行的人机工效评价主要从读数的精确度、读数的速度、疲劳度测试、多表协同工作读数的表现和培训的难易程度等方面进行评价。其具体包括。

3.1 精确读数表现评价

精确读数是指读数者在仪表显示器指针或数字稳定的情况下,对所显示的数据进行读数。它是仪表操作过程较为主要和普遍的读数方式,是衡量仪表显示器最重要的指标。如,传统水银体温计的读数方式即为精确读数。

3.2 范围读数表现评价

在范围读数时,读数者不用准确地读取仪表所显示的具体数值,只需读出仪表数值是否到达某一范围,这种读数方式通常用来考察仪器或设备是否到达临界点。

3.3 波动读数表现评价

波动读数是指仪表显示器所呈现的数据处于波动的状态,读数者在读数时需读出所显示数据的波动范围,而不是精确的数值。

3.4 2表连读表现评价

在人机界面布局设计中,多表配合是一种常见的工作状态。因此,在对仪表显示器进行人机评价时不能仅从单表工作状态来考察。2表连读表现评价指标重在考察多个仪表显示器在协同工作时的效率和宜人性。

3.5 易用性评价

在仪表显示器的使用过程中,使用效率不仅包含读数的准确率,还包括读数的速度。易用性越高的仪表,读数的速度越快。因此,考察单位时间内仪表显示器的读数数量也是对仪表进行人机评价的重要指标。

3.6 宜人性评价(疲劳测试)

疲劳测试,是人机评价的重要组成部分。但由于疲劳度与评价结果成反比,为了统一评价因素的极性和方便数据计算,将对疲劳度的测试改为对宜人性的评价。

3.7 熟练加速度评价

使用者对仪表不断使用的过程实际上是一个不断训练的过程,在这个过程中,使用者的熟练度将不断提高,读数的准确率和速度也相应提高。因此,考察仪表在使用过程中是否容易掌握,也是仪表显示器人机综合评价很重要的一部分。

根据上述仪表显示器人及评价的主要因素,综合层次分析法,可确定仪表显示器人机综合评价体系,如图1所示。

4 应用验证

某控制面板设计项目具有三种类型的备选仪表,分别是模拟显示器a、模拟显示器b和数字显示器c,其显示界面如图2所示。

对104位工业设计学生(男65名、女39名)进行试验,获得初始数据,如表1所示。

4.1 初始实验数据规范化

按照灰色关联层次分析方法,根据公式对表中的数据进行规范化处理,可得规范化矩阵:

。

4.2 评价因素与理想方案关联系数计算

由规范矩阵易得,理想方案向量x0=(1,1,…,m)。取ρ=0.5,由公式可得:

。

4.3 评价指标权重的确定

根据仪表的实际使用情况,由公式(4)和项目专家评分可得各评价指标和层次的权重系数,如表2所示。

4.4 灰关联度计算

根据公式分别递推计算出三款仪表显示器的灰色关联度

$R = [0.565 0.369 0.879] 。$

由此可得仪表显示器人机评价优劣次序为:数字显示器c>模拟显示器a>模拟显示器b。

5 结论

提出了仪表显示器人机评价指标体系,根据灰色关联层次分析模型,综合评价了三款待选仪表显示器的人机性能。通过实验数据计算表明,灰色关联层次分析模型评价结果相对以往的的主观评价和模糊评价,其结果更加客观,结果更加可信,也具有更强的操作性。需要指出的是,根据不同项目的实际情况。有针对性地合理调整评价权重,将会改变最终的评价结果,选取最符合要求的仪表方案。

摘要：为在设计和应用过程中更为科学地选择仪表类型和评价仪表的人机性能,针对仪表显示器人机评价系统多因素、多层次的特点,分析了仪表显示器人机综合评价的主要因素。确立了人机评价指标体系和因素权重,提出了仪表显示器人机评价灰色关联层次分析模型。并通过实际的人机界面设计实例计算表现该评价模型的应用价值。

关键词：灰色关联,层次分析法,仪表显示器,人机评价

参考文献

[1]谢庆森,黄艳群.人机工程学.北京:中国建筑工业出版社,2009

[2]宋慨,王贵成,包锋.工程设计中仪表选型系统的设计.辽宁化工,2003;7:316—317

[3]朱磊,张显奎,杨利芳.汽车仪表板的人机工效多级模糊评价.计算机测量与控制,2004;12(7):654—656

[4]张雪平,殷国富.基于层次灰色关联的产品绿色度评价研究.中国电机工程学报,2005;25(17):77—78

[5]邓聚龙.灰色系统基本方法.武汉:华中工学院出版社,1987

[6]侯满义,李曙林,李寿安.基于灰色关联层次分析的飞机战伤抢修性评价.电光与控制,2002;13(6):68—69

[7]张吉军.模糊层次分析法(FAHP).模糊系统与数学.2000;14(2):79—80

[8]罗佑新,张龙庭.灰色系统理论及其在机械工程中的应用.长沙:国防科技大学出版社,2001

[9]谢季坚,刘承平.模糊数学方法及其应用.武汉:华中科技大学出版社,2000

人机界面显示屏篇9

无人机气象探测系统具有体积小、重量轻、探测方式灵活、可远距离探空和探测精度高等优点, 因此无人机气象探测系统在武器装备试验、大气科学试验研究以及人烟稀少地区探空方面具有良好的应用前景。我国于2003年初开始自主研制无人机气象探测系统, 其任务[1]是利用小型长航程无人机实现大区域、长时间、连续、高精度气象参数测量, 包括温度、湿度、气压、风速、风向, 测量数据可实时传输和存储。无人机气象探测显示系统是整个系统地面部分的前端运行程序, 其负责接收以无线方式实时传送的测量数据, 并进行处理和存储, 实时给出无人机飞行参数及其飞经区域的气象参数, 要求实现以下具体功能:1) 通过计算机串口接收数据, 对其进行解码、译码和气象参数解算, 同时进行数据库存储;2) 将无人机的飞行状况地图化, 即在电子地图上实时显示 (或事后回放) 无人机、无人机的姿态 (偏航角) 、位置以及飞行轨迹, 并可对电子地图进行放大、缩小、移动等控制操作, 以便实时跟踪无人机的飞行状况;3) 实时显示 (或事后回放) 无人机的飞行参数 (时间、GPS定位状况、位置、姿态) 和无人机所在处的气象参数 (温度、湿度、气压、风速、风向) , 以便指挥者作出决策。

MapInfo公司提供的基于Windows操作系统的ActiveX控件MapX, 能轻松地将地图功能嵌入到应用程序中, 实现绝大部分地图编辑和空间分析功能, 并且能支持绝大多数工业标准开发环境, 如Visual C++、Visual Basic、Delphi、C++Builder等。因基于系统的功能需求以及可视化显示的设计要求, 本文基于VC++和MapX设计开发了无人机气象探测显示系统。

1 MapX的特点和功能

MapX是由MapInfo公司推出的组件式地理信息系统GIS (Geographic Information System) 产品[2]。它为使用者提供基本的地理信息操作功能, 能在短时间内结合其他系统开发完成具有地理信息特点的合成系统, 不仅可提供数据浏览、空间数据操作、图形操作等功能, 而且可以与关系型数据库有效地结合, 扩充了自身的数据容量, 为使用者开拓了更好的属性数据操作功能。用户可以用各种可视化开发环境来创建应用程序, 定制相应的人机交互界面。以下是MapX的主要功能[3]:

1) 地图显示支持MapInfo的地图数据格式, 可以显示该格式的地图数据以及内置的属性数据;并支持地图的放大、缩小、平移和定位等基本操作。

2) 地图编辑支持对象合并、创建缓冲区、对象擦除等图形编辑功能;支持单个节点的增加、删除和移动等图形节点编辑功能。

3) 图层控制可以管理多个图层的地理信息, 包括图层的显示缩放比例、显示范围以及无缝地图图层、动态图层和用户图层的创建等。

4) 专题地图可以使用各种颜色编码、各种样式来按照用户指定的地图数据指标显示专题地图, 支持直方图、饼图、点密度、范围渲染、数值和等级符号等多种样式观察地理信息数据。

5) 栅格地图支持栅格地图作为地图的背景予以显示, 并随着地图的缩放和平移自动调整, 栅格图像和矢量地图数据的结合使地图显示更生动。

6) 数据查询可以实现地理范围查询、属性查询等。

7) 自动和动态注释提供地图的注释显示功能, 包括自动或者开发者以交互的方式向地图添加的文本、符号和标注信息。

8) 数据库访问和数据库支持地图通过嵌入ActiveX的容器与数据库相连, 并提供了多种不同的数据绑定方式;可以访问存储在Oracle8i和MapInfo Spatial Ware中的远程地图数据;通过Spatial等空间数据服务技术, MapX可以动态操作数据库中存储的地理空间数据, 并在空间服务器的支持下, 完成高级的地理信息查询和复杂的空间分析功能, 大大拓展了MapX本身的功能限制。

2 系统设计

无人机气象探测显示系统是无人机气象探测系统的重要组成部分, 其性能直接关系到气象探测任务的圆满完成。显示系统的工作流程如图1所示。无人机上的GPS系统、姿态测量装置和气象测量装置等产生的数据, 如无人机位置和姿态等飞行参数、温湿压解算所需的参数等, 通过无线方式传送到地面, 地面天线和接收机系统接收到这些数据通过计算机串口直接由无人机气象探测显示系统接收、提取、处理并存储到数据库。显示系统再采用数据库访问技术访问数据库, 实时显示飞行参数和气象参数, 并通过MapX属性设置、方法调用或事件响应, 实现无人机图标、姿态和轨迹的实时刷新。当进行数据回放时, 只需直接读取数据库进行数据图形显示。

系统采用基于Windows操作系统的组件式开发工具MapX, 开发平台采用面向对象设计语言Visual C++。显示系统需通过串口不断从外部获取数据, 采用Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件Microsoft Communications Control (简称MSComm) , 并采用中断控制方式以满足系统的实时性要求。同时串口通信需及时处理, 所以采用多线程技术, 产生一个优先级高的串口通信子线程;可视化显示的实时性要求可以低一些, 则产生一个优先级较低的可视化显示子线程。另外, 显示系统需存储的数据复杂多样, 需进行安全稳定的存储管理。Access使用简洁、易于管理且与Windows系统的兼容性好, 所以选用Aceess数据库。数据库访问技术则使用数据访问对象DAO (Database Access Object) 技术。显示系统的地图化显示功能充分利用MapX的地图编辑功能, 下面重点探讨基于MapX的功能开发技术。

3 系统主要功能开发

3.1 地图控件的建立

在VC环境下进行MapX二次开发是采用将MapX作为控件插入到应用程序中, 然后通过设置其属性、调用其方法和响应其事件来实现的。

安装MapX后, 在VC环境下, 使用Project→Add To Project→Files, 添加MapInfo＼MapX 5.0＼Samples50＼C++＼Cpp中的MapX.h和MapX.cpp文件。这样就可以将MapX支持类库添加到当前工程中。声明一个MapX对象, 并利用View→Resource Symbols创建一个新的资源ID号IDC_MAP, 在WM_CREATE的消息映射函数中即可实现MapX控件的建立。实现方法如下:

If (!m_CtrlMapX.Create (NULL, WS_VISIBLE, CRect (0, 0, 100, 100) , this, IDC_MAP) )

return -1;

创建地图视图可利用Map对象的GeoSet属性。利用这种方法创建地图视图, 首先要创建Geoset File。Geoset File记录了地图视图所包含的图层及其相应属性。它通过使用MapX开发软件包提供的Geoset Manager交互式地创建。根据需要建立好Geoset File之后, 可以通过以下方法建立视图:

m_CtrlMap.SetGeoSet (″ChinaMap.gst″) ;

3.2 地图操作的实现

在程序运行时需对电子地图进行放大、缩小、平移、中心点定位等浏览操作, 便于实时跟踪无人机的飞行状况。只需在程序中将MapX控件的CurrentTool属性设置为相应的值即可, 如:

3.3 飞机定位和轨迹的实现

无人机的显示和轨迹的绘制需要通过CreateLayer增加新图层, 并利用SetAnimationLayer将其设置为动态图层, 然后在此图层上增加新的特性 (如线图元、文字和标注符号等) , 新特性的大小、形状和颜色等可根据需要进行自定义, 最后把它显示在地图上。

显示无人机及其姿态 (偏航角) 时, 触发定时器, 读取数据库记录, 获取无人机当前的地理位置和偏航角数据, 利用MapX自带的飞机标注符号在地图上打点并根据偏航角旋转飞机, 调用Update方法刷新即可实现无人机的定位。代码如下:

绘制无人机轨迹时, 同样, 获取无人机当前的地理位置, 利用CreateLine方法将当前位置和前一位置连接建立线图元, 再刷新地图即可实现轨迹的不断绘制。

4 系统实现

无人机气象探测显示系统可分为实时显示和事后回放两大部分。实时显示部分用于实时数据的接收、处理、存储和显示, 运行界面如图2所示。其后台进行数据接收、处理和存储, 前台完成飞行航迹的电子地图显示、重要飞行参数的数据显示和气象参数的数据图形显示。

事后回放部分用于在任务结束后回放整个飞行过程, 分析本次任务无人机飞越区域的气象条件及其飞行状况。其运行界面如图3所示。它与实时显示部分有着同样的地图、数据和图像显示功能, 并且可调节回放进度和回放速度, 具有步进和步退的回放控制功能, 以便用户详细分析气象数据和无人机的飞行状况。

5 结束语

在VC++可视化的开发环境中, 开发的基于GIS组件MapX的无人机气象探测显示系统, 可视化强、界面友好、可扩充能力强, 已经在数次地面试验和飞行试验中得到了较好的验证和充分的应用。